The different inactivation behaviors of E The different inactivation behaviors of E. coli and MS-2 phage by Photocatalytic TiO2 reaction 윤 제 용 서울대학교 응용화학부

TiO2 광촉매 반응에서 미생물 불활성화에 작용하는 반응성 물질의 규명 윤 제 용 서울대학교 응용화학부

Photocatalytic TiO2 chemistry (1) Reactive Oxygen Species ( •OH, O2-•, H2O2) Generated on Illuminated TiO2 Particles O2- + H+  HO2 O2 OH2+ O- OH OH- (or H2O) •OH h ecb- hvb+ H2O2 e-/H+ x2 e- A A•- D D•+

Photocatalytic TiO2 chemistry (2) (1) cathodic process (2) (3) (4) (5) anodic process (6) (7) (8)

연구 배경 I TiO2 광촉매 반응에서 생성되는 ROS (Reactive Oxygen Species)가 미생물 불활성화에 미치는 메커니즘 연구 미비 Hydrogen Peroxide ( H2O2 ) ROS Hydroxyl Radical ( •OH ) Superoxide Radical ( O2-• ) (Maness et al. 1999)

연구 배경 II 미생물 불활성화 : surface-bound • OH vs free •OH의 역할 불확실 Free •OH in bulk phase Role of •OH Surface-bound •OH in surface phase

연구 배경 III TiO2 광촉매 반응에 의한 바이러스의 불활성화 연구 미비 - Inactivation of MS-2 phage (Sjogren and Sierka, 1994) - Inactivation of Qß phage (Lee et al., 1997)

연구 목적 미생물 불활성화에 관여하는 ROS (•OH, O2-•, H2O2) 파악 : E. coli (박테리아) 와 MS-2 phage (바이러스) •OH probe compound의 감소 패턴과 미생물의 불활성화와 비교

연구 방법 (1) - 광촉매 반응 조건 온도 : 6oC, 20oC, 33oC pH = 5.6, 7.1, 8.2 (phosphate buffer (10 mM)) TiO2 농도 (Degussa P-25) : 0.1 ~ 2 g/L 광원: - 16W BLB (Black Light Blue) lamp ( x 1~4) (300~400 nm), 3.1 ~ 7.9×10-6 Einstein L-1 s-1

연구 방법 (2) - •OH 농도의 결정 pCBA (para-chlorobenzoic acid) (2.43 μM) - •OH probe compound - Analysis: HPLC/UV detector

연구 방법 (3) - •OH scavenger Effect of Scavenger - MeOH (30mM) : scavenge all of •OH (surface-bound & free) and h+ (Sun & Pignettelo, 1995) - t-BuOH (30mM) : scavenge all of free •OH and some of surface-bound •OH (Sun & Pignettelo, 1995)

실험 방법 (4)- 모델 적용 I Microbial Inactivation Curves (1) (a) : Tailing off (b) : Exponential (a) : Tailing off (c) : Shoulder + Exponential Survival Ratio. Log (N/No) Contact Time (a) (b) (c)

실험 방법 (4)- 모델 적용 II Chick-Watson Model CT concept Limitation N : number of microorganisms, C : disinfectant concentration Limitation - shoulder, tailing off - decay of disinfectant residuals

실험 방법 (4)- 모델 적용 III CT concept is valid Delayed Chick-Watson Model CT concept is valid Effective to explain inactivation with shoulder

연구 방법 (5)- 미생물 1) E. coli (ATCC strain 8739) Spreading plate method 2) MS-2 (F-specific RNA bacteriophage, ATCC 15597) - Pour plate method - Host : E. coli C 3000 or E. coli Famp

연구 방법 (6)- 실험 장치 Thermostated container TiO2 powder Pyrex reactor O2 or N2 Sparging TiO2 powder Pyrex reactor (cutoff, ~300nm) Black light lamp (20W) X 1~4 Stirrer

결과 및 토의 Part 1. •OH이 미생물 불활성화(E. coli)에 미치는 영향 : E.coli (박테리아) & MS-2 phage (바이러스)

Part 1. •OH이 미생물 불활성화(E. coli)에 미치는 영향

1. TiO2 Concentration E. coli 불활성화 pCBA degradation 0.1 ~ 1.0 g/L : 농도가 높을 수록 빠른 미생물의 불활성화 1.0 ~ 2.0 g/L : 농도에 의한 차이 없음 pCBA와 미생물이 유사한 감소 패턴을 보임: •OH 농도와 상관성

2. 빛의 세기 the levels of E. coli inactivation and pCBA degradation 1.00 I (intensity) = 7.9×10-6 Einstein L-1 s-1 E. coli 불활성화 pCBA degradation t (min)* 240 180 0.5 0.75 1 * : 2 log removal the levels of E. coli inactivation and pCBA degradation increased with square-root dependence with an increase light intensity (R2=0.99).

3. pH 1) High pH : 2) Low pH : E. coli 불활성화 pCBA degradation 1) & 2)의 상호 작용에 의해 pH effect 나타나지 않음 ( 미생물 불활성화 & pCBA 감소)

4. 온도 TiO2 (•OH) 미생물 (화학 소독제) pCBA degradation E. coli 불활성화 온도 effect 온도가 높을 수록 빠른 미생물의 불활성화

5. OH 농도와 E. coli 불활성화의 상관관계 Delayed Chick Watson Model a C : [•OH]ss t : 2 log 제거 시간 : CT concept이 적용됨 •OH •OH이 E. coli의 불활성화를 일으키는 Major Oxidant 온도 증가에 따라 •OH과 미생물의 반응 속도 또한 빨라진다.

6. • OH CT evaluation (20 oC) • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L 1 2 Log(N/N0) 3 4 5 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 ( x 10-5 ) • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L

7. Comparison with chemical disinfectants Ozone Free chlorine Chlorine dioxide •OH CT (mg.min/L) 4.0x10-2 1.3x10-1 8.0x10-2 0.8x10-5 2 log removal •OH is 103 ~ 104 times more effective

Part 2. 미생물의 불활성화 메커니즘 E. coli & MS-2 phage

ROS 와 •OH의 역할(1) - E. coli •OH MeOH : scavenge all of •OH (surface-bound & free) and h+ •OH The inactivation of E. coli is related with not only •OH (75%) but also other ROS (25%)

Enhanced production of •OH increase the inactivation of E. coli ROS 와 •OH의 역할(2 )- E. coli 산소 effect with O2 O2 saturation no O2 No Sparging no O2 Enhanced production of •OH increase the inactivation of E. coli

Scavenger에 의한 영향 – E. coli t-BuOH : scavenge all of free •OH and some of surface-bound •OH pCBA degradation Surface •OH Free & surface •OH E. coli is mainly inactivated by surface •OH

ROS 와 •OH의 역할(3)– MS-2 phage MeOH : scavenge all of •OH (surface-bound & free) and h+ t-BuOH : scavenge all of free •OH and some of surface-bound •OH Inactivated by Only free •OH

Role of •OH (I), Fe2+ Aided, E. coli E.coli inactivation pCBA degradation Fe2+, no t-BuOH Fe2+, t-BuOH no Fe2+, no t-BuOH no Fe2+, t-BuOH Free •OH의 생성이 증가했음에도 미생물의 불활성화는 빨라지지 않았음.

Photocatalytic TiO2 chemistry (4) Effect of Fe2+ (9) (Free) (10) (11)

Role of •OH (II), Fe2+ Aided, MS-2 phage Enhancement of inactivation was observed as MS-2 was inactivated by free •OH confirm the role of ROS in inactivating MS-2 phage

결론 : • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L (2 log E. coli removal ) 1. 광촉매 미생물의 불활성화에 관여하는 ROS의 종류가 E. coli와 MS-2에서 상이하다. E. coli : major: surface-bound •OH minor : free •OH, H2O2, O2-• MS-2 : Only free •OH in bulk phase 2. TIO2 광촉매 반응에서 미생물의 불활성화에 관여하는 ROS 중 •OH이 주요 물질이다. : • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L (2 log E. coli removal )